RU2718762C1 - Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials - Google Patents

Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials Download PDF

Info

Publication number
RU2718762C1
RU2718762C1 RU2019140882A RU2019140882A RU2718762C1 RU 2718762 C1 RU2718762 C1 RU 2718762C1 RU 2019140882 A RU2019140882 A RU 2019140882A RU 2019140882 A RU2019140882 A RU 2019140882A RU 2718762 C1 RU2718762 C1 RU 2718762C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ethanol
ethylene
carried out
dehydration
distillation
Prior art date
Application number
RU2019140882A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елена Викторовна Овчинникова
Виктор Анатольевич Чумаченко
Сардана Пурбуевна Банзаракцаева
Мария Александровна Сурмина
Ольга Владимировна Байбакова
Екатерина Анатольевна Скиба
Геннадий Викторович Сакович
Вера Владимировна Будаева
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН), Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН)
Priority to RU2019140882A priority Critical patent/RU2718762C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2718762C1 publication Critical patent/RU2718762C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C1/00Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon
    • C07C1/20Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon starting from organic compounds containing only oxygen atoms as heteroatoms
    • C07C1/24Preparation of hydrocarbons from one or more compounds, none of them being a hydrocarbon starting from organic compounds containing only oxygen atoms as heteroatoms by elimination of water

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to a method for production of ethylene from renewable vegetal raw materials without food value. Disclosed is a method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials, which includes grinding raw material, preliminary chemical treatment with 3–6 % nitric acid solution at 90–95 °C and atmospheric pressure for 3–6 hours, preliminary saccharification is carried out for 18–24 h, combined saccharification and fermentation process, obtaining a fermentable wort as result, which is subjected to distillation and obtaining ethanol with concentration of 90–96 wt%, which contains impurities in terms of anhydrous ethanol C3 alcohols of not more than 7 g/l, sodium ions of not more than 0.01 mg⋅eq/l, the obtained product – ethanol is fed into a catalytic reactor, where it is dehydrated to obtain a reaction gas containing ethylene, residual ethanol and water vapor, from which the gaseous phase of ethylene is separated, and produced after ethanol dehydration reactor liquid phase containing water with residual ethanol dissolved in it, mixed with fermentable wort flow and directed for distillation, and waste of alcohol production – spent wash – is supplied for burning and generation of heat, with its subsequent use in endothermic process of ethanol dehydration into ethylene.
EFFECT: production of ecologically clean and economically attractive high-demand product – ethylene.
4 cl, 1 dwg, 16 ex

Description

Изобретение относится к способу получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья, не имеющего продовольственной ценности.The invention relates to a method for producing ethylene from non-renewable plant materials without food value.

Этилен, получаемый из ископаемого углеводородного сырья, является крупнотоннажным полупродуктом нефтехимии, используемым для производства более 75% ценных химических продуктов. В настоящее время интенсивно развиваются методы получения этилена из альтернативного возобновляемого сырья, включающие биотехнологические стадии получения этанола и каталитические стадии его конверсии в этилен. Однако существующие технологи используют высокоценное сырье продовольственного назначения (сахарный тростник, кукурузу, пшеничное зерно и иное), что при их применении в крупных масштабах создает серьезные сельскохозяйственные и этические проблемы. В связи с этим актуальным является развитие технологий получения ценных химических продуктов на основе растительного сырья, не представляющего продовольственной ценности. Особый интерес среди целлюлозосодержащей биомассы представляют технические культуры семейства злаковых и массовые отходы сельскохозяйственного производства. Мискантус характеризуется высокой урожайностью даже на бедных почвах и высокой стойкостью при хранении, это обеспечивает стабильное качество сырья и устойчивую работу биотехнологического производства. Плодовые оболочки овса являются уникальным видом воспроизводимого сырья, они составляют 28% от массы зерна и накапливаются в промышленных масштабах на зерноперерабатывающих предприятиях.Ethylene, obtained from fossil hydrocarbon feedstocks, is a large-capacity petrochemical semi-product used to produce more than 75% of valuable chemical products. Currently, methods for producing ethylene from alternative renewable raw materials are being intensively developed, including biotechnological stages of ethanol production and catalytic stages of its conversion to ethylene. However, existing technologists use high-value raw materials for food purposes (sugarcane, corn, wheat grain and others), which when applied on a large scale creates serious agricultural and ethical problems. In this regard, the development of technologies for obtaining valuable chemical products based on plant materials that are not of food value is relevant. Of particular interest among cellulose-containing biomass are industrial crops of the cereal family and massive agricultural waste. Miscanthus is characterized by high productivity even on poor soils and high storage stability, this ensures a stable quality of raw materials and stable operation of biotechnological production. Oat fruit shells are a unique type of reproducible raw material, they make up 28% of the grain mass and accumulate on an industrial scale at grain processing enterprises.

Из уровня техники известен способ получения этилена из этанола или этанолового сырья (US 20090008610 А1, B82Y 40/00, 8.01.2009). Недостатком способа является использование ценного продовольственного сырья для получения промышленной продукции; кроме того, информация о требованиях к качеству этанола, о наличии в нем органических или неорганических примесей не раскрывается, но отмечается необходимость дорогостоящей стадии очистки этанола.The prior art method for producing ethylene from ethanol or ethanol feedstock (US 20090008610 A1, B82Y 40/00, 8.01.2009). The disadvantage of this method is the use of valuable food raw materials for industrial products; in addition, information about ethanol quality requirements, the presence of organic or inorganic impurities in it is not disclosed, but the need for an expensive stage of ethanol purification is noted.

Известны способы дегидратации этанола в этилен (RU 2597422, С07С 1/24, 09.07.2012; RU 2415121, С07С 1/24, 2.11.2006), при которых реакцию осуществляют в реакторе под давлением, а отходы дегидратации: воду, оставшийся этанол или диэтиловый эфир после разделения и очистки частично рециркулируют обратно в реактор, тем самым получают разбавленный этанол на входе в реактор. Недостатком таких способов является применение сложных и затратных стадий разделения и очистки воды, остаточного этанола или диэтилового эфира, а также низкая эффективность использования оборудования при дегидратации разбавленного водой этанола.Known methods for the dehydration of ethanol to ethylene (RU 2597422, C07C 1/24, 09.07.2012; RU 2415121, C07C 1/24, 11.2.2006), in which the reaction is carried out in a reactor under pressure, and the dehydration waste: water, remaining ethanol or After separation and purification, diethyl ether is partially recycled back to the reactor, thereby obtaining diluted ethanol at the inlet of the reactor. The disadvantage of such methods is the use of complex and costly stages of separation and purification of water, residual ethanol or diethyl ether, as well as the low efficiency of the use of equipment during the dehydration of ethanol diluted with water.

Известны (RU 2701643, С12Р 7/06, 27.09.2018, RU 2593724, С12Р 7/06, 25.06.2015)Known (RU 2701643, С12Р 7/06, 09/09/2018, RU 2593724, С12Р 7/06, 06/25/2015)

способы получения этанола из целлюлозосодержащей биомассы (мискантуса, плодовых оболочек овса и т.п.). Недостатком таких способов является то, что в качестве сырья в технологии используется только один сорт мискантуса, несмотря на существование более 14 сортов, произрастающих в различных климатических регионах. Существенным недостатком является то, что отходы и стоки спиртового производства - барда и вода после дистилляции этанола - не используются, что требует затрат на их утилизацию. В патенте не раскрывается качество получаемого этанола, в частности, отсутствуют количественные данные о содержании органических и неорганических примесей, хотя примеси в этаноле могут иметь решающее значение для рентабельности производства ценных химических продуктов на его основе.Methods for producing ethanol from cellulose-containing biomass (Miscanthus, fruit shells of oats, etc.). The disadvantage of such methods is that only one grade of Miscanthus is used as a raw material in the technology, despite the existence of more than 14 varieties growing in different climatic regions. A significant drawback is that waste and effluent from alcohol production - stillage and water after distillation of ethanol - are not used, which requires the cost of their disposal. The patent does not disclose the quality of the ethanol obtained, in particular, there are no quantitative data on the content of organic and inorganic impurities, although the impurities in ethanol can be crucial for the profitability of the production of valuable chemical products based on it.

Из уровня техники известен способ получения этилена (олефинов) (заявка WO 2008/067627 А3, С07С 11/04, 05.12.2006), из растительного сырья, включающий измельчение сырья, получение бражки с последующей дистилляцией до этанола и его дегидратацией в этилен в реакторах со стационарным слоем катализатора, куда в качестве теплоносителя для эндотермической реакции подается пар в соотношении 2:1 к массе спирта, при этом пар, используемый в эндотермическом процессе дегидратации этанола, генерируется в результате сжигания отхода спиртового производства - барды. Предложенный способ имеет следующие недостатки: использование сырья продовольственного назначения (сахарного тростника, кукурузы), низкая полнота переработки этанола в процессе его дегидратации в этилен; низкая эффективность использования оборудования при дегидратации разбавленного водяным паром этанола.The prior art method for the production of ethylene (olefins) (application WO 2008/067627 A3, C07C 11/04, 12/05/2006), from plant materials, including grinding raw materials, obtaining mash, followed by distillation to ethanol and its dehydration to ethylene in reactors with a stationary catalyst bed, where steam in the ratio 2: 1 to the mass of alcohol is supplied as a heat carrier for the endothermic reaction, while the steam used in the endothermic process of ethanol dehydration is generated as a result of the burning of waste from alcohol production - vinasse. The proposed method has the following disadvantages: the use of food raw materials (sugar cane, corn), the low completeness of the processing of ethanol in the process of its dehydration into ethylene; low efficiency of use of equipment in the dehydration of ethanol diluted with water vapor.

В качестве прототипа выбран способ получения этилена из сырья непродовольственного назначения - овсяной шелухи (плодовых оболочек овса) (Skiba Е.А. et al. Pilot Technology of Ethanol Production from Oat Hulls for Subsequent Conversion to Ethylene // Chemical Engineering Journal. 2017. V. 391. P. 178-186. https://doi.Org/10.1016/j.cej.2017.05.182), который включает в себя предварительную химическую обработку растительного сырья- овсяной шелухи, совмещенный процесс осахаривания (ферментативный гидролиз) и спиртового брожения с получением бражки, дистилляцию для выделения этанола, обезвоживание этанола и его очистку, каталитическую дегидратацию этанола в этилен. Выход этилена составляет менее 42 кг/т биомассы. Существенным недостатком способа является то, что на стадии предобработки биомассы используется реагент (гидроксид натрия), остаточное содержание ионов Na от которого в этаноле приводит к потере активности катализатора и низкому выходу этилена, поэтому перед каталитической дегидратацией этанола в этилен дополнительно потребуется его отмывка и повторная дистилляция. Отсутствие технологической интеграции потоков между стадиями получения этанола из биомассы и его дегидратации в этилен, а также наличие дополнительных стадий приводит к образованию большого количества стоков, требующих утилизации.As a prototype, a method for producing ethylene from non-food raw materials - oat husks (fruit shells of oats) was chosen (Skiba E.A. et al. Pilot Technology of Ethanol Production from Oat Hulls for Subsequent Conversion to Ethylene // Chemical Engineering Journal. 2017. V . 391. P. 178-186. Https://doi.Org/10.1016/j.cej.2017.05.05.182), which includes the preliminary chemical treatment of vegetable raw materials - oat husks, the combined process of saccharification (enzymatic hydrolysis) and alcohol fermentation to obtain mash, distillation to isolate ethanol, dehydration of ethanol and its purification, catalytic dehydration of ethanol to ethylene. The ethylene yield is less than 42 kg / t of biomass. A significant drawback of the method is that a reagent (sodium hydroxide) is used at the biomass pretreatment stage, the residual content of Na ions from which in ethanol leads to a loss of catalyst activity and a low yield of ethylene, therefore, before the catalytic dehydration of ethanol into ethylene, it will additionally require washing and re-distillation . The lack of technological integration of flows between the stages of ethanol production from biomass and its dehydration into ethylene, as well as the presence of additional stages leads to the formation of a large number of effluents that require disposal.

Изобретение решает задачу вовлечения в хозяйственный оборот альтернативного сырья, а именно, дешевой легковозобновляемой биомассы непродовольственного назначения, с целью получения по экологически чистой и экономически привлекательной технологии высоковостребованного продукта - этилена.The invention solves the problem of involving in the economic turnover of alternative raw materials, namely, cheap readily renewable biomass of non-food purposes, in order to obtain a highly demanded product, ethylene, using environmentally friendly and economically attractive technology.

Задача решается предлагаемым способом получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения, который включает: измельчение сырья, предварительную химическую обработку, предварительное осахаривание в течение 18-24 ч, совмещенный процесс осахаривания и спиртового брожения, с получением бражки, которую подвергают дистилляции, а полученный этанол направляют в каталитический реактор, где протекает процесс дегидратации этанола в этилен, при этом, предварительную химическую обработку сырья осуществляют раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при атмосферном давлении, дистилляцию бражки проводят до содержания этанола 90-96 мас. %, содержания примесей С3 спиртов (пропанола и изопропанола) не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, при содержании ионов натрия в сырье не более 0.01 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол, а полученный этанол направляют на каталитическую дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, после чего производят разделение продуктов, и газовую фазу этилена направляют потребителям, а жидкую фазу, содержащую воду с растворенным в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а отход спиртового производства - барду направляют на сжигание с генерацией тепла, которое впоследствии используют в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.The problem is solved by the proposed method for the production of ethylene from non-renewable plant raw materials, which includes: grinding of raw materials, preliminary chemical treatment, preliminary saccharification for 18-24 hours, the combined process of saccharification and alcohol fermentation, to obtain mash, which is subjected to distillation, and the obtained ethanol sent to a catalytic reactor, where the process of dehydration of ethanol into ethylene takes place, while the preliminary chemical processing of the feedstock is carried out yayut nitric acid solution having a concentration of 3-6% at atmospheric pressure, the distillation is carried out until the mash ethanol content 90-96 wt. %, the content of C3 impurities of alcohols (propanol and isopropanol) is not more than 7 g / l, and preferably not more than 3.5 g / l, preferably not more than 0.7 g / l, but not less than 0.1 g / l, when the content of sodium ions in the feed does not more than 0.01 mg equivalent / liter calculated on anhydrous ethanol, and the ethanol obtained is sent to catalytic dehydration to obtain a reaction gas containing ethylene, residual ethanol and water vapor, after which the products are separated, and the gas phase of ethylene is sent to consumers, and the liquid a phase containing water with residual ethanol dissolved in it, meshivayut a mash stream and directed to distillation, and the waste of alcohol production - the burning of vinasse is directed to the generation of heat, which is subsequently used in an endothermic process of dehydration of ethanol to ethylene.

В качестве сырья используется мискантус, включающий примерно 14-20 видов, в том числе Miscanthus sacchariflorus, Miscanthus sinensis Anderss., Miscanthus purpurascens Anderss., а также Miscanthus giganteus, которые являются практически неисчерпаемым источником непродовольственного легковозобновляемого сырья в области альтернативной энергетики.As a raw material, Miscanthus is used, which includes approximately 14-20 species, including Miscanthus sacchariflorus, Miscanthus sinensis Anderss., Miscanthus purpurascens Anderss., As well as Miscanthus giganteus, which are a practically inexhaustible source of non-food non-renewable raw materials in the field of alternative energy.

В качестве сырья используются плодовые оболочки овса, являющиеся отходом сельскохозяйственного производства; привлекательность их использования обусловлена низкой стоимостью, поскольку затраты на возделывание полностью окупаются продукцией переработки овса.As raw materials, fruit shells of oats are used, which are a waste of agricultural production; the attractiveness of their use is due to the low cost, since the costs of cultivation are fully paid off by the products of oat processing.

В качестве сырья можно использовать любую смесь различных видов мискантуса, а также смесь мискантуса с плодовые оболочки овса в любом процентном соотношении.As a raw material, you can use any mixture of various types of Miscanthus, as well as a mixture of Miscanthus with fruit shells of oats in any percentage.

Экологическая привлекательность технологии обусловлена применением возобновляемого сырья, вторичным использованием отходов, отсутствием (или малым количеством) стоков и отходов, высокой эффективностью переработки сырья в целевые продукты и малым количеством побочных продуктов.The environmental attractiveness of the technology is due to the use of renewable raw materials, the secondary use of waste, the absence (or small amount) of effluents and waste, the high efficiency of processing raw materials into target products and the small amount of by-products.

Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что предварительную химическую обработку осуществляют раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при атмосферном давлении в течение 3-6 ч, а дистилляцию бражки доводят до содержания этанола 90-96 мас. %: процесс проводят так, что содержание примесей С3 спиртов (пропанола и изопропанола) составляет (в расчете на безводный этанол) не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, а содержание ионов натрия - не более 0.01 мг⋅экв../л в расчете на безводный этанол; полученный этанол направляют на каталитическую дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, после чего производят разделение продуктов, и газовую фазу этилена направляют потребителям, а жидкую фазу, содержащую воду с растворенными в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а отход спиртового производства - барду - направляют на сжигание с генерацией тепла, которое впоследствии используют в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен, а в качестве легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья для производства этилена, кроме плодовых оболочек овса, используют разные сорта мискантуса и их смеси.The present invention differs from the prototype in that the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 3-6% at atmospheric pressure for 3-6 hours, and the distillation of the mash is adjusted to an ethanol content of 90-96 wt. %: the process is carried out so that the content of C3 impurities of alcohols (propanol and isopropanol) is (calculated on anhydrous ethanol) not more than 7 g / l, and preferably not more than 3.5 g / l, preferably not more than 0.7 g / l, but not less than 0.1 g / l, and the content of sodium ions - not more than 0.01 mg · equivalent ../ l calculated on anhydrous ethanol; the ethanol obtained is sent to catalytic dehydration to obtain a reaction gas containing ethylene, residual ethanol and water vapor, after which the products are separated, and the gas phase of ethylene is sent to consumers, and the liquid phase containing water with the residual ethanol dissolved in it is mixed with the mash stream and sent to distillation, and the waste of alcohol production - bard - is sent to combustion with heat generation, which is subsequently used in the endothermic process of ethanol dehydration to ethylene, and as an easily renewable non-food plant material for the production of ethylene, in addition to the fruit shells of oats, different varieties of miscanthus and their mixtures are used.

В настоящем изобретении реализована экологически привлекательная технология замкнутого цикла. В ней используются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции бражки, отходы производства этилена - вода с растворенным в ней остаточным этанолом. Это позволяет осуществить технологическую интеграцию потоков, снизить энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена, достичь высокой полноты использования биомассы, этанола и воды, исключить образование стоков и отходов. При отсутствии технологической интеграции отходов производств спирта и этилена увеличиваются энергозатраты, снижается полнота переработки биомассы, этанола и воды, появляются стоки и отходы.The present invention implements an environmentally friendly closed loop technology. It uses waste from alcohol production - bard and water after distillation of the mash, waste from the production of ethylene - water with residual ethanol dissolved in it. This allows for technological integration of flows, to reduce energy costs for the endothermic process of producing ethylene, to achieve high completeness of the use of biomass, ethanol and water, to eliminate the formation of effluents and waste. In the absence of technological integration of waste from the production of alcohol and ethylene, energy costs increase, the completeness of processing biomass, ethanol and water decreases, and effluents and waste appear.

Способ получения этилена по предлагаемому изобретению осуществляется следующим образом (см. чертеж).The method of producing ethylene according to the invention is as follows (see drawing).

В качестве сырья используют мискантус (1), который после сбора урожая (2) подвергают измельчению (3). Далее из воды (21) и азотной кислоты (4) готовят 3-6% раствор азотной кислоты (5) и проводят предварительную химическую обработку мискантуса этим раствором при атмосферном давлении (6). По окончанию предварительной химической обработки получают целлюлозосодержащий продукт (7), который используют для предварительного осахаривания (8) с применением ферментных препаратов (9). После предварительного осахаривания в течение 18-24 ч получают гидролизат (10), в который вносят продуцент этанола (И) и проводят совмещенный процесс осахаривания и спиртового брожения (12), в результате которого получают бражку (13) и отход спиртового производства - барду (19). Полученную бражку (13) подвергают дистилляции (14), в результате чего выделяют воду (21) и получают этанол (15) чистотой 90-96 мас. % с содержанием примесей С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, с содержанием ионов натрия в сырье не более 0.01 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол. Этанол (15) используют в эндотермическом процессе каталитической дегидратации в этилен на алюмооксидном катализаторе при температуре 375-400°С, газовой нагрузке этанола на катализатор (G) 9400-10800 1/ч и давлении 0,11 МПа (16). В результате каталитической дегидратации этанола (16) получают целевой продукт - этилен (17), а также воду с примесью остаточного этанола (18). Полученную воду с примесью остаточного этанола (18) совместно с бражкой (13) подают на дистилляцию (14). Барду (19) направляют на сжигание с генерацией тепла (20), которое используют в эндотермическом процессе каталитической дегидратации этанола (16). Воду (21), полученную в процессе дистилляции (14), используют для получения 3-6% раствора азотной кислоты (5).As raw materials use miscanthus (1), which after harvesting (2) is subjected to grinding (3). Next, a 3-6% solution of nitric acid (5) is prepared from water (21) and nitric acid (4) and the miscanthus is pretreated with this solution at atmospheric pressure (6). At the end of the preliminary chemical treatment, a cellulose-containing product (7) is obtained, which is used for preliminary saccharification (8) using enzyme preparations (9). After preliminary saccharification for 18-24 hours, a hydrolyzate (10) is obtained, into which the ethanol producer (I) is added and a combined process of saccharification and alcoholic fermentation (12) is carried out, as a result of which a mash is obtained (13) and the distillery waste - bard ( 19). The obtained mash (13) is subjected to distillation (14), as a result of which water (21) is isolated and ethanol (15) is obtained with a purity of 90-96 wt. % with an impurity content of C3 alcohols of not more than 7 g / l, and preferably not more than 3.5 g / l, preferably not more than 0.7 g / l, but not less than 0.1 g / l, with a content of sodium ions in the feed not more than 0.01 mg eq ./l calculated on anhydrous ethanol. Ethanol (15) is used in the endothermic process of catalytic dehydration into ethylene on an alumina catalyst at a temperature of 375-400 ° С, a gas load of ethanol on a catalyst (G) of 9400-10800 1 / h and a pressure of 0.11 MPa (16). As a result of the catalytic dehydration of ethanol (16), the target product is obtained - ethylene (17), as well as water with an admixture of residual ethanol (18). The resulting water with an admixture of residual ethanol (18) together with the mash (13) is fed to distillation (14). Barda (19) is directed to combustion with the generation of heat (20), which is used in the endothermic process of catalytic dehydration of ethanol (16). Water (21) obtained in the process of distillation (14) is used to obtain a 3-6% solution of nitric acid (5).

Газовая нагрузка на катализатор (G) определяется как отношение часовой скорости газового потока этанола на входе в реактор (л/ч) к объему катализатора (л). Полнота переработки этанола определяется как отношение разности массы подаваемого в реактор 100% этанола и массы остаточного этанола, содержащегося в неиспользуемых отходах после реактора каталитической дегидратации, к массе подаваемого в реактор этанола (в случае использования отходов, выбросы этанола отсутствуют, а полнота переработки этанола составляет 100%). Выход этилена на единицу массы биомассы определяется как отношение массы полученного этилена к массе израсходованной биомассы. Определение указанных показателей выполнено в расчете на 100% этилен.The gas load on the catalyst (G) is defined as the ratio of the hourly flow rate of the ethanol gas stream at the inlet of the reactor (l / h) to the volume of the catalyst (l). The completeness of ethanol processing is defined as the ratio of the difference between the mass of 100% ethanol fed to the reactor and the mass of residual ethanol contained in unused waste after the catalytic dehydration reactor, to the mass of ethanol fed to the reactor (in the case of waste, there are no emissions of ethanol, and the completeness of ethanol processing is 100 %). The ethylene yield per unit mass of biomass is defined as the ratio of the mass of ethylene produced to the mass of spent biomass. The determination of these indicators was performed based on 100% ethylene.

Способ получения этилена по предлагаемому изобретению иллюстрируется следующими примерами:The method of producing ethylene according to the invention is illustrated by the following examples:

Пример 1. СравнительныйExample 1. Comparative

Биомассу Miscanthus sacchariflorus с влажностью 35% в условиях опытно-промышленного производства подвергают химической обработке раствором гидроксида натрия с концентрацией 2% при температуре 80°С в течение 1 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Предварительное осахаривание проводят при температуре 47°С и активной кислотности 3,5 ед. рН. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность предварительного осахаривания 14 ч. Затем ферментативный гидролизат охлаждают до 30°С, вносят засевные дрожжи Saccharomyces cerevisiae в количестве 10% и в течение 72 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Полученную бражку подвергают дистилляции с выходом этанола чистотой 87,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,8 г/л и ионов натрия 0,6 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол. Образуются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции.The biomass of Miscanthus sacchariflorus with a moisture content of 35% under experimental production conditions is subjected to chemical treatment with a solution of sodium hydroxide with a concentration of 2% at a temperature of 80 ° C for 1 h, then washed until neutral. Pre-saccharification is carried out at a temperature of 47 ° C and an active acidity of 3.5 units. pH The enzymatic preparations “Cellolux-A” and “Bruzime BGX” contribute 0.02 g of enzyme per 1 g of substrate. The duration of preliminary saccharification is 14 hours. Then, the enzymatic hydrolyzate is cooled to 30 ° C, sowing yeast Saccharomyces cerevisiae is introduced in an amount of 10%, and alcohol fermentation combined with saccharification is carried out for 72 hours. The resulting mash is subjected to distillation with the release of ethanol with a purity of 87.0 wt. % with a C3 content of alcohols of 7.8 g / l and sodium ions of 0.6 mg equivalent / l, calculated on anhydrous ethanol. Waste from alcohol production is formed - bard and water after distillation.

Этанол чистотой 87,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,8 г/л и ионов натрия 0,6 мг⋅экв./л направляют в каталитический реактор, в котором при температуре 400°С, газовой нагрузке этанола на алюмооксидный катализатор (G) 11130 1/ч и давлении 0,11 МПа протекает эндотермический процесс дегидратации этанола в этилен, к которому подводится стороннее тепло. В результате каталитической реакции получают целевой продукт - этилен, а также воду с растворенным в ней остаточным этанолом. Этилен направляют потребителю. Образуются стоки каталитического процесса - вода с растворенным в ней остаточным этанолом.Ethanol with a purity of 87.0 wt. % with a C3 content of alcohols of 7.8 g / l and sodium ions of 0.6 mg eq./l are sent to a catalytic reactor in which at a temperature of 400 ° C, the gas load of ethanol on an alumina catalyst (G) 11130 1 / h and At a pressure of 0.11 MPa, the endothermic process of dehydration of ethanol into ethylene proceeds to which external heat is supplied. As a result of the catalytic reaction, the target product is obtained - ethylene, as well as water with residual ethanol dissolved in it. Ethylene is sent to the consumer. Runoffs of the catalytic process are formed - water with residual ethanol dissolved in it.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 47 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 86%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 47 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 86%.

Пример 1 демонстрирует, что получение этанола из легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья при его предварительной химической обработке гидроксидом натрия в условиях, близких к прототипу, имеет место высокое содержание С3 спиртов и ионов натрия в этаноле, что обуславливает низкий выход этилена из-за дезактивации катализатора дегидратации этанола в присутствии высокого содержания С3 спиртов и ионов натрия.Example 1 demonstrates that the production of ethanol from non-renewable non-food plant materials during its preliminary chemical treatment with sodium hydroxide under conditions close to the prototype, there is a high content of C3 alcohols and sodium ions in ethanol, which leads to a low yield of ethylene due to the deactivation of the ethanol dehydration catalyst in the presence of a high content of C3 alcohols and sodium ions.

Пример 2. СравнительныйExample 2. Comparative

Процесс проводят как в примере 1, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 2%, для приготовления которой используют слабо обессоленную воду; в результате получают биоэтанол чистотой 86,1 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,5 г/л и ионов натрия менее 0,05 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=11260 1/ч.The process is carried out as in example 1, but the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 2%, for the preparation of which use slightly demineralized water; the result is bioethanol with a purity of 86.1 wt. % with a C3 content of alcohols of 7.5 g / l and sodium ions less than 0.05 mg eq / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 11260 1 / h

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 68 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 88%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 68 kg per 1 ton of miscanthus, the ethanol processing is 88% complete.

Пример 2 демонстрирует, что предварительная обработка биомассы азотной кислотой практически исключает содержание ионов натрия в получаемом этаноле, но вследствие использования для приготовления слабого раствора кислоты недостаточно обессоленной воды, Na присутствует в заметном количестве; а также при осуществлении указанной обработки в условиях, близких к прототипу, а именно при низкой концентрации кислоты, низкой температуре и продолжительности химической обработки и предварительного осахаривания, имеет место низкая чистота этанола, высокое содержание С3 спиртов в нем, что обуславливает низкий выход этилена из-за низкой активности катализатора дегидратации этанола в присутствии высокого содержания С3 спиртов и ионов натрия; кроме того вследствие отсутствия технологической интеграции потоков и вторичного использования отходов (пример 1 и 2): барды (отхода спиртового производства), воды после дистилляции бражки, воды с растворенным в ней остаточным этанолом после каталитического процесса, имеются стоки и отходы, а также дополнительные энергозатраты для осуществления эндотермического каталитического процесса. Пример 3Example 2 demonstrates that pre-treatment of biomass with nitric acid virtually eliminates the content of sodium ions in the resulting ethanol, but due to the use of insufficient desalted water for the preparation of a weak acid solution, Na is present in a noticeable amount; as well as when performing this treatment under conditions close to the prototype, namely, at a low acid concentration, low temperature and duration of chemical treatment and preliminary saccharification, there is a low purity of ethanol, a high content of C3 alcohols in it, which leads to a low yield of ethylene from the low activity of the catalyst for the dehydration of ethanol in the presence of a high content of C3 alcohols and sodium ions; in addition, due to the lack of technological integration of flows and the secondary use of waste (examples 1 and 2): stillage (waste from alcohol production), water after distillation of the mash, water with residual ethanol dissolved in it after the catalytic process, there are drains and waste, as well as additional energy costs for the implementation of the endothermic catalytic process. Example 3

Процесс проводят как в примере 2, но предварительную химическую обработку проводят азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 90°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л.The process is carried out as in example 2, but a preliminary chemical treatment is carried out with nitric acid with a concentration of 3% at a temperature of 90 ° C for 5 hours; the duration of preliminary saccharification is 18 hours; the result is bioethanol with a purity of 92.5 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.71 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l.

Воду после стадии дистилляции направляют на приготовление слабого раствора азотной кислоты для предварительной химической обработки биомассы.Water after the distillation stage is sent to the preparation of a weak solution of nitric acid for preliminary chemical treatment of biomass.

Отход спиртового производства - барду - направляют на сжигание с генерацией тепла для его использования в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.The waste from alcohol production - bard - is sent to combustion with heat generation for its use in the endothermic process of ethanol dehydration to ethylene.

Этанол чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л направляют в каталитический реактор, в котором при газовой нагрузке этанола на алюмооксидный катализатор (G) 9400 1/ч протекает эндотермический процесс дегидратации этанола в этилен, тепло к которому подводится за счет сжигания барды. В результате каталитической реакции получают целевой продукт - этилен, а также воду с растворенным в ней остаточным этанолом. Этилен направляют потребителю.Ethanol with a purity of 92.5 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.71 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l are sent to a catalytic reactor in which the endothermic process of ethanol dehydration proceeds with an ethanol gas load on the alumina catalyst (G) 9400 1 / h in ethylene, the heat to which is supplied by burning the stillage. As a result of the catalytic reaction, the target product is obtained - ethylene, as well as water with residual ethanol dissolved in it. Ethylene is sent to the consumer.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 96 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 94%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 96 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 94%.

Пример 4Example 4

Процесс проводят как в примере 3, но после каталитического процесса воду с остаточным этанолом совместно с бражкой направляют на дистилляцию с выходом этанола чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л.The process is carried out as in example 3, but after the catalytic process, water with residual ethanol, together with the mash, is sent to distillation with an ethanol yield of 92.5 wt% purity. % with a C3 content of alcohols of 0.71 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 102 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 102 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 5Example 5

Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса плодовых оболочек овса влажностью 37%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 4% при температуре 92°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 24 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,42 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10760 1/ч.The process is carried out as in example 4, but the raw material is the biomass of the fruit shells of oats with a moisture content of 37%, preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 4% at a temperature of 92 ° C for 3 hours; the duration of preliminary saccharification is 24 hours; the result is bioethanol with a purity of 90.0 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.42 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg equivalent / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10760 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 120 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 120 kg per 1 ton of fruit shells of oats, the ethanol processing is 100% complete.

Пример 6Example 6

Процесс проводят как в примере 5, но сырьем является биомасса Miscanthus giganteus с влажностью 38%, предварительную химическую обработку проводят при температуре 93°С в течение 4 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 20 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 93,6 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,63 г/л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10350 1/ч.The process is carried out as in example 5, but the raw material is the biomass of Miscanthus giganteus with a moisture content of 38%, the preliminary chemical treatment is carried out at a temperature of 93 ° C for 4 hours; the duration of preliminary saccharification is 20 hours; the result is bioethanol with a purity of 93.6 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.63 g / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10350 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 128 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 128 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 7Example 7

Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 36%; предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 6% при температуре 91°С; продолжительность предварительного осахаривания составляет 22 ч; в результате получают биоэтанола чистотой 96,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,11 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10090 1/ч.The process is carried out as in example 5, but the moisture content of the biomass is 36%; preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 6% at a temperature of 91 ° C; the duration of preliminary saccharification is 22 hours; the result is bioethanol with a purity of 96.0 wt. % with a C3 content of alcohols 0.11 g / l and sodium ions less than 0.01 mg eq / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10090 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 104 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 104 kg per 1 ton of fruit shells of oats, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 8Example 8

Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса Miscanthus sinensis с влажностью 34%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 95°С в течение 6 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 21 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 91,7 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,29 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10560 1/ч.The process is carried out as in example 4, but the raw material is the biomass of Miscanthus sinensis with a moisture content of 34%, the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 5% at a temperature of 95 ° C for 6 hours; the duration of preliminary saccharification is 21 hours; the result is bioethanol with a purity of 91.7 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.29 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg equivalent / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10560 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 103 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 103 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 9Example 9

Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 32%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 94°С в течение 4 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 19 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 94,2 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,21 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10280 1/ч.The process is carried out as in example 5, but the biomass humidity is 32%, the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 3% at a temperature of 94 ° C for 4 hours; the duration of preliminary saccharification is 19 hours; the result is bioethanol with a purity of 94.2 wt. % with a C3 content of alcohols 0.21 g / l and sodium ions less than 0.01 mg eq / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10 280 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 137 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 137 kg per 1 ton of fruit shells of oats, the ethanol processing is 100% complete.

Пример 10Example 10

Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса Miscanthus purpurascens с влажностью 35%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 6% при температуре 93°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 22 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 92,8 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,33 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10450 1/ч.The process is carried out as in example 4, but the raw material is the biomass of Miscanthus purpurascens with a moisture content of 35%, a preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 6% at a temperature of 93 ° C for 3 hours; the duration of preliminary saccharification is 22 hours; the result is bioethanol with a purity of 92.8 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.33 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10450 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 138 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 138 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 11Example 11

Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 33%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 90°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 23 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 93,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,5 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10410 1/ч.The process is carried out as in example 5, but the biomass humidity is 33%, the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 5% at a temperature of 90 ° C for 5 hours; the duration of preliminary saccharification is 23 hours; the result is bioethanol with a purity of 93.0 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.5 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10 410 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 108 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 108 kg per 1 ton of fruit shells of oats, the ethanol processing is 100% complete.

Пример 12Example 12

Процесс проводят как в примере 8, но раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 90°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 3,47 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10760 1/ч.The process is carried out as in example 8, but with a solution of nitric acid with a concentration of 3% at a temperature of 90 ° C for 3 hours; the duration of preliminary saccharification is 18 hours; the result is bioethanol with a purity of 90.0 wt. % with a C3 content of alcohols of 3.47 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg equivalent / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10760 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 86 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 86 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 13Example 13

Процесс проводят как в примере 5, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 89°С; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 89,9 мас. % с содержанием С3 спиртов 6,84 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10770 1/ч.The process is carried out as in example 5, but the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 3% at a temperature of 89 ° C; the duration of preliminary saccharification is 18 hours; the result is bioethanol with a purity of 89.9 wt. % with a C3 content of alcohols of 6.84 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg equivalent / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10770 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 93 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 93 kg per 1 ton of fruit shells of oats, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 14Example 14

Процесс проводят как в примере 6, но сырьем является смесь биомассы Miscanthus giganteus и Miscanthus purpurascens в процентном соотношении 50%, с влажностью 36%, предварительную химическую обработку проводят при температуре 94°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 19 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,7 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,63 г/л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10680 1/ч.The process is carried out as in example 6, but the raw material is a mixture of biomass Miscanthus giganteus and Miscanthus purpurascens in a percentage ratio of 50%, with a moisture content of 36%, the preliminary chemical treatment is carried out at a temperature of 94 ° C for 5 hours; the duration of preliminary saccharification is 19 hours; the result is bioethanol with a purity of 90.7 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.63 g / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10680 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 102 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 102 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Пример 15Example 15

Процесс проводят как в примере 10, но сырьем является смесь биомассы Miscanthus purpurascens и плодовых оболочек овса в процентном соотношении 50%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 92°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 21 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 94,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,5 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10250 1/ч.The process is carried out as in example 10, but the raw material is a mixture of biomass Miscanthus purpurascens and fruit shells of oats in a percentage of 50%, preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 5% at a temperature of 92 ° C for 3 hours; the duration of preliminary saccharification is 21 hours; the result is bioethanol with a purity of 94.5 wt. % with a C3 content of alcohols of 0.5 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg eq./l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 10,250 1 / h.

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет ПО кг, полнота переработки этанола составляет 100%.The ethylene yield per 1 ton of biomass is PO kg, the ethanol processing completeness is 100%.

Пример 16Example 16

Процесс проводят как в примере 4, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 7% при температуре 96°С в течение 7 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 25 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 95,3 мас. % с содержанием С3 спиртов 6,84 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=8460 1/ч.The process is carried out as in example 4, but the preliminary chemical treatment is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 7% at a temperature of 96 ° C for 7 hours; the duration of preliminary saccharification is 25 hours; the result is bioethanol with a purity of 95.3 wt. % with a C3 content of alcohols of 6.84 g / l and sodium ions of less than 0.01 mg equivalent / l; catalytic dehydration of ethanol is carried out at G = 8460 1 / h

Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 58 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.The yield of ethylene per 1 ton of biomass is 58 kg per 1 ton of miscanthus, the completeness of ethanol processing is 100%.

Примеры 4-15 иллюстрируют, что продолжительность предварительного осахаривания (18-24 ч) и комплекс технических приемов по изобретению, а именно: применение биомассы мискантуса разных сортов и оболочек овса и их смесей в любом процентном соотношении, условия предварительной обработки биомассы (концентрация реагента 3-6%, температура 90-95°С и продолжительность 3-6 ч), получение этанола чистотой 90-96% мае. с содержанием С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л и ионов натрия не более 0,01 мг⋅экв/л, проведение каталитической дегидратации при газовой нагрузке на катализатор 9400-10800 1/ч, вторичное использование отходов спиртового производства - барды и воды после дистилляции бражки, отходов производства этилена - воды с растворенным в ней остаточным этанолом, - обеспечивают высокую полноту переработки биомассы и этанола, высокий выход этилена 86-140 кг на 1 т легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья, а также имеет место технологическая интеграция потоков, что исключает образование стоков и отходов, снижает энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена.Examples 4-15 illustrate that the duration of preliminary saccharification (18-24 hours) and the complex of technical methods according to the invention, namely: the use of biomass of miscanthus of different varieties and shells of oats and their mixtures in any percentage, the conditions for the preliminary processing of biomass (concentration of reagent 3 -6%, temperature 90-95 ° C and duration 3-6 hours), ethanol production with a purity of 90-96% in May. with a C3 content of alcohols of not more than 7 g / l, and preferably not more than 3.5 g / l, preferably not more than 0.7 g / l, but not less than 0.1 g / l and sodium ions not more than 0.01 mg eq / l, catalytic dehydration at a gas load on the catalyst 9400-10800 1 / h, the secondary use of alcohol production waste - stillage and water after distillation of the mash, waste from ethylene production - water with residual ethanol dissolved in it - provides a high degree of biomass and ethanol processing, high yield ethylene 86-140 kg per 1 ton of non-renewable non-food of vegetable raw materials, as well as technological integration of flows takes place, which eliminates the formation of effluents and waste, reduces energy costs for the endothermic process of producing ethylene.

Условия предварительной химической обработки (реагент, концентрация, температура, продолжительность) и осахаривания (температура и продолжительность) обусловлены видом используемого сырья: сортов мискантуса (примеры 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16), плодовых оболочек овса (примеры 5, 7, 9, 11, 13), их смесей (примеры 14, 15), и зависят от его морфологических особенностей, прочности и т.п.The conditions for preliminary chemical treatment (reagent, concentration, temperature, duration) and saccharification (temperature and duration) are determined by the type of raw materials used: miscanthus varieties (examples 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16), oat fruit shells (examples 5 , 7, 9, 11, 13), their mixtures (examples 14, 15), and depend on its morphological features, strength, etc.

Высокие микропримеси ионов натрия присутствуют в этаноле в результате щелочной обработки биомассы гидроксидом натрия, либо вследствие использования для приготовления разбавленных растворов кислот недостаточно обессоленной воды. Хотя при содержании Na 0.01-0.6 мг⋅экв./л на стадии предварительной обработки биомассы обеспечивается нейтральная величина рН среды после стадии нейтрализации и отмывки этанола, примеси Na более 0,01 мг⋅экв./л оказывают негативное воздействие на катализатор получения этилена, снижая полноту превращения этанола и выход этилена (пример 1-2).High trace amounts of sodium ions are present in ethanol as a result of alkaline treatment of biomass with sodium hydroxide, or due to the use of insufficiently demineralized water for the preparation of dilute acid solutions. Although with a Na content of 0.01-0.6 mg equivalent / liter at the biomass pretreatment stage, a neutral pH value of the medium is ensured after the stage of neutralization and washing of ethanol, Na impurities of more than 0.01 mg equivalent / liter have a negative effect on the ethylene production catalyst, reducing the completeness of the conversion of ethanol and the yield of ethylene (example 1-2).

Применение азотной кислоты на стадии предварительной химической обработки (примеры 2-16) исключает стадию дорогостоящей отмывки бражки от неорганических микропримесей или этанола от микропримесей ионов натрия, а применение слабого ее раствора (3-6%) способствует низкой агрессивности (коррозионной активности) среды, безопасности и экологичности производства.The use of nitric acid at the stage of preliminary chemical treatment (examples 2-16) eliminates the stage of costly washing the mash from inorganic impurities or ethanol from the impurities of sodium ions, and the use of a weak solution of it (3-6%) contributes to low aggressiveness (corrosion activity) of the medium, safety and environmental friendliness of production.

Низкая концентрация кислоты, низкая продолжительность обработки и предварительного осахаривания способствуют низкому выходу и концентрации этанола, высокому содержанию С3 спиртов (пропанола и изопропанола), вследствие низкой степени превращения растительного сырья в субстрат и неполного его осахаривании (пример 2); а в результате высокий выход этилена не достигается, вследствие комплексного влияния низкого выхода и концентрации этанола, высокого содержания в нем С3 спиртов. Высокое содержание С3 спиртов в этаноле приводят к дезактивации катализатора получения этилена (пример 2).Low acid concentration, low processing time and preliminary saccharification contribute to a low yield and concentration of ethanol, a high content of C3 alcohols (propanol and isopropanol), due to the low degree of conversion of plant materials to a substrate and its incomplete saccharification (example 2); and as a result, a high yield of ethylene is not achieved, due to the complex effect of low yield and concentration of ethanol, high content of C3 alcohols in it. The high content of C3 alcohols in ethanol leads to the deactivation of the ethylene production catalyst (Example 2).

Высокая концентрация кислоты, высокая продолжительность обработки и предварительного осахаривания приводят к низкому выходу и концентрации получаемого этанола вследствие протекания нежелательного гидролиза гемицеллюлоз и целлюлозы (пример 16), а в результате высокий выход этилена не достигается, вследствие комплексного влияния низкого выхода и концентрации этанола, низкого содержания в нем С3 спиртов. Низкое содержание С3 спиртов в этаноле приводит к снижению выхода этилена из-за увеличения выхода побочных продуктов (пример 16). Кроме того, при высокой концентрации кислоты имеет место повышенный расход химического реагента, а высокая продолжительность обработки и осахаривания увеличивает общую продолжительность процесса, и повышает риск контаминации посторонней микрофлорой.A high acid concentration, a long processing time and preliminary saccharification lead to a low yield and concentration of ethanol obtained due to undesired hydrolysis of hemicelluloses and cellulose (example 16), and as a result, a high ethylene yield is not achieved, due to the complex effect of low yield and low ethanol concentration there are C3 alcohols in it. The low content of C3 alcohols in ethanol leads to a decrease in the yield of ethylene due to an increase in the yield of by-products (Example 16). In addition, with a high concentration of acid there is an increased consumption of a chemical reagent, and a high duration of processing and saccharification increases the overall duration of the process and increases the risk of contamination by extraneous microflora.

Низкая концентрация этанола (менее 90%) после дистилляции, высокая (выше 10800 1/ч) и низкая (ниже 9400 1/ч) газовая нагрузка на катализатор приводят к малой производительности процесса по этилену (примеры 2, 16), низкой эффективности использования оборудования, высокому удельному расходу катализатора. Для получения этанола с концентрацией выше 96% нужны значительные затраты на удаление воды из азеотропной смеси, кроме того, высокая концентрация этанола снижает срок службы катализатора.A low concentration of ethanol (less than 90%) after distillation, high (above 10800 1 / h) and low (below 9400 1 / h) gas load on the catalyst lead to low productivity of the process for ethylene (examples 2, 16), low efficiency of use of equipment high specific consumption of the catalyst. To obtain ethanol with a concentration above 96%, significant costs are required for removing water from the azeotropic mixture, in addition, a high concentration of ethanol reduces the life of the catalyst.

В настоящем изобретении реализована экологически привлекательная технология замкнутого цикла. В ней используются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции бражки, отходы производства этилена - вода с растворенным в ней остаточным этанолом (примеры 4-15). Это позволяет осуществить технологическую интеграцию потоков, снизить энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена, достичь высокой полноты использования биомассы, этанола и воды, исключить образование стоков и отходов. При отсутствии технологической интеграции отходов производств спирта и этилена увеличиваются энергозатраты, снижается полнота использования биомассы, воды и этанола (примеры 1-3), появляются стоки и отходы.The present invention implements an environmentally friendly closed loop technology. It uses waste from alcohol production - bard and water after distillation of the mash, waste from ethylene production - water with residual ethanol dissolved in it (examples 4-15). This allows for technological integration of flows, to reduce energy costs for the endothermic process of producing ethylene, to achieve high completeness of the use of biomass, ethanol and water, to eliminate the formation of effluents and waste. In the absence of technological integration of waste from the production of alcohol and ethylene, energy costs increase, the completeness of the use of biomass, water and ethanol decreases (examples 1-3), and effluents and waste appear.

Claims (4)

1. Способ получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения, характеризующийся тем, что он включает измельчение сырья, предварительную химическую обработку которого проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при температуре 90-95°С и атмосферном давлении в течение 3-6 ч, предварительное осахаривание осуществляют в течение 18-24 ч, совмещенный процесс осахаривания и сбраживания, в результате которого получают бражку, которую подвергают дистилляции и получают этанол концентрацией 90-96 мас. %, который содержит примеси в расчете на безводный этанол С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3,5 г/л, предпочтительно не более 0,7 г/л, но не менее 0,1 г/л, ионов натрия не более 0,01 мг⋅экв/л, полученный этанол направляют в каталитический реактор, где осуществляют его дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, из которого выделяют газовую фазу этилена, а полученную после реактора дегидратации этанола жидкую фазу, содержащую воду с растворенным в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а воду после дистилляции используют для приготовления раствора азотной кислоты требуемой концентрации, а отход спиртового производства – барду - направляют на сжигание и генерацию тепла, с последующим его использованием в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.1. A method of producing ethylene from non-renewable plant raw materials, characterized in that it includes grinding the raw material, the preliminary chemical treatment of which is carried out with a solution of nitric acid with a concentration of 3-6% at a temperature of 90-95 ° C and atmospheric pressure for 3-6 h, preliminary saccharification is carried out for 18-24 hours, the combined process of saccharification and fermentation, as a result of which a mash is obtained, which is subjected to distillation and ethanol with a concentration of 90-96 m is obtained ace %, which contains impurities calculated on anhydrous ethanol C3 alcohols not more than 7 g / l, and preferably not more than 3.5 g / l, preferably not more than 0.7 g / l, but not less than 0.1 g / l, sodium ions of not more than 0.01 mg Eq / L, the ethanol obtained is sent to a catalytic reactor, where it is dehydrated to obtain a reaction gas containing ethylene, residual ethanol and water vapor, from which the ethylene gas phase is isolated, and the dehydration obtained after the reactor ethanol a liquid phase containing water with residual ethanol dissolved in it is mixed with the stream mash and sent to distillation, and water after distillation is used to prepare a solution of nitric acid of the required concentration, and the waste of alcohol production - bard - is sent to combustion and heat generation, followed by its use in the endothermic process of ethanol dehydration to ethylene. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения используют Мискантус сорта sacchariflorus, или сорта giganteus, или сорта sinensis, или сорта purpurascens или используют плодовые оболочки овса или их смеси в любом процентном соотношении.2. The method according to p. 1, characterized in that as a non-renewable plant-based raw material for plants, Miscanthus sacchariflorus, or giganteus, or sinensis, or purpurascens is used, or oat fruit shells or mixtures thereof in any percentage ratio are used. 3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора дегидратации этанола используется алюмооксидный катализатор,3. The method according to PP. 1, 2, characterized in that as an ethanol dehydration catalyst, an alumina catalyst is used, 4. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что каталитический процесс дегидратации этанола проводят при температуре 375-400°С, давлении 0,11 МПа и газовой нагрузке этанола на катализатор, т.е. отношении часовой скорости газового потока этанола на входе в реактор (л/ч) к объему загруженного в реактор катализатора (л), 9400-10800 1/ч.4. The method according to PP. 1, 2, characterized in that the catalytic process of ethanol dehydration is carried out at a temperature of 375-400 ° C, a pressure of 0.11 MPa and a gas load of ethanol on the catalyst, i.e. the ratio of the hourly velocity of the ethanol gas stream at the inlet of the reactor (l / h) to the volume of the catalyst loaded in the reactor (l), 9400-10800 1 / h.
RU2019140882A 2019-12-11 2019-12-11 Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials RU2718762C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140882A RU2718762C1 (en) 2019-12-11 2019-12-11 Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019140882A RU2718762C1 (en) 2019-12-11 2019-12-11 Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2718762C1 true RU2718762C1 (en) 2020-04-14

Family

ID=70277924

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019140882A RU2718762C1 (en) 2019-12-11 2019-12-11 Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2718762C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008067627A2 (en) * 2006-12-05 2008-06-12 Braskem S.A. A method for the production of one or more olefins, an olefin, and a polymer
US20090008610A1 (en) * 2007-04-06 2009-01-08 Arkema France Process for producing carbon nanotubes from renewable raw materials
RU2415121C2 (en) * 2005-11-29 2011-03-27 Бп Кемикэлз Лимитед Ethylene synthesis method
RU2581799C1 (en) * 2015-03-13 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from lignocellulose material
RU2593724C1 (en) * 2015-06-25 2016-08-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from cellulose-containing material
RU2597422C2 (en) * 2011-07-21 2016-09-10 Ифп Энержи Нувелль Method of dehydration of ethanol to ethylene with low power consumption
RU2701643C1 (en) * 2018-09-27 2019-09-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from cellulose-containing material

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2415121C2 (en) * 2005-11-29 2011-03-27 Бп Кемикэлз Лимитед Ethylene synthesis method
WO2008067627A2 (en) * 2006-12-05 2008-06-12 Braskem S.A. A method for the production of one or more olefins, an olefin, and a polymer
US20090008610A1 (en) * 2007-04-06 2009-01-08 Arkema France Process for producing carbon nanotubes from renewable raw materials
RU2597422C2 (en) * 2011-07-21 2016-09-10 Ифп Энержи Нувелль Method of dehydration of ethanol to ethylene with low power consumption
RU2581799C1 (en) * 2015-03-13 2016-04-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from lignocellulose material
RU2593724C1 (en) * 2015-06-25 2016-08-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from cellulose-containing material
RU2701643C1 (en) * 2018-09-27 2019-09-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) Method of producing bioethanol from cellulose-containing material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Skiba E.A. et al. Pilot Technology of Ethanol Production from Oat Hulls for Subsequent Conversion to Ethylene // Chemical Engineering Journal. - 2017, - v. 391, - p. 178-186. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Carrillo-Nieves et al. Current status and future trends of bioethanol production from agro-industrial wastes in Mexico
Kumar et al. Bioconversion of pentose sugars to value added chemicals and fuels: recent trends, challenges and possibilities
Guo et al. Heteropoly acids enhanced neutral deep eutectic solvent pretreatment for enzymatic hydrolysis and ethanol fermentation of Miscanthus x giganteus under mild conditions
Daful et al. Techno-economic analysis and environmental impact assessment of lignocellulosic lactic acid production
Urbaniec et al. Biomass residues as raw material for dark hydrogen fermentation–A review
Skiba et al. Pilot technology of ethanol production from oat hulls for subsequent conversion to ethylene
Limayem et al. Lignocellulosic biomass for bioethanol production: current perspectives, potential issues and future prospects
Soccol et al. Bioethanol from lignocelluloses: status and perspectives in Brazil
CA2998414C (en) Wet oxidation of biomass
Haigh et al. Simulation and comparison of processes for biobutanol production from lignocellulose via ABE fermentation
Cavalaglio et al. Response surface methodology for the optimization of cellulosic ethanol production from Phragmites australis through pre-saccharification and simultaneous saccharification and fermentation
US10106862B2 (en) Mixed super critical fluid hydrolysis and alcoholysis of cellulosic materials to form alkyl glycosides and alkyl pentosides
WO2015160887A1 (en) Processes for producing fermentation products
MX2013002698A (en) Process for producing bioethanol by enzymatic hydrolysis of cellulose.
US20230399665A1 (en) Method for carrying out the combined operation of a bioethanol production unit and a biogas unit
Skiba et al. Miscanthus bioprocessing using HNO3-pretreatment to improve productivity and quality of bioethanol and downstream ethylene
Liu et al. Preparation of hydrolytic liquid from dried distiller's grains with solubles and fumaric acid fermentation by Rhizopus arrhizus RH 7-13
Taherzadeh et al. Bioethanol: Market and production processes
Behera et al. Microbial bioethanol fermentation technologies—Recent trends and future prospects
CA2776717C (en) Process for preparing enriched glucan biomass materials
Patil et al. Agro-waste valorization for sustainable economy of sugar mills in India
RU2718762C1 (en) Method of producing ethylene from renewable non-food vegetal raw materials
Klasson et al. Development of an enzyme cocktail to bioconvert untapped starch in sweet sorghum processing by-products: Part II. Application and economic potential
Ramírez-Márquez et al. Alcohol production process design and scale-up
Amiri et al. Ethanol economy: Environment, demand, and marketing